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原文传递电动汽车轮毂电机建模与性能研究

论文题名：	电动汽车轮毂电机建模与性能研究
关键词：	电动汽车;永磁式轮毂电机;建模方法;功率密度;转矩波动
摘要：	续航里程严重制约着分布式驱动电动汽车技术的发展，是走向大量应用前的技术瓶颈。由于驱动电机集成在车轮内，导致簧下质量增加，对电动汽车行驶平顺性也有重要影响。永磁式轮毂电机作为分布式驱动电动汽车的核心部件之一，存在转矩密度难以提高、转矩波动机理复杂且难以抑制等突出问题，对电动汽车轻量化和乘坐舒适性影响巨大。虽然永磁式轮毂电机的各种性能都能用有限元进行分析，并且可以考虑端部效应、铁芯饱和、材料的非线性等因素对轮毂电机性能的影响，但是建模复杂，计算周期长，难以研究设计参数对电机性能的影响规律。解析法计算速度快，物理概念清晰，改变设计参数时无需反复建模，有利于电机的优化设计，然而，现有解析法大多对电机模型进行简化处理，如忽略定子齿尖、将电枢绕组等效为电流环、未考虑铁磁材料特性等，计算精度不高。为此，发展更精确的解析建模方法，为解决永磁式轮毂电机的功率密度、转矩波动等运行品质问题奠定基础。　　针对永磁体嵌入式外转子轮毂电机，本文建立了其驱动控制系统模型，计算了转矩、功率、效率和温升等性能，并通过台架试验验证了有限元建模方法的有效性。为了研究和提升轮毂电机性能，建立了其精确解析模型，考虑了定子齿尖对气隙磁场分布的影响，基于该解析模型预测了轮毂电机的气隙磁密、磁链、反电势、齿槽转矩和输出转矩等性能。利用有限元法验证了解析模型的正确性，相较于传统忽略定子齿尖的简化模型，考虑定子齿尖的解析模型计算精度更高，齿槽转矩、转矩波动以及输出转矩平均值的误差分别由499.68％、216.24%和11.97%大幅度减小至9.8%、6.55%和0.9%。　　基于解析模型研究了结构参数对轮毂电机性能的影响，提出优化轮毂电机性能的匹配方案，并进一步提出在定子齿上开辅助槽的方法来改善轮毂电机转矩波动，建立了定子齿含有辅助槽的轮毂电机解析模型，通过有限元验证了模型的准确性。研究了辅助槽参数对轮毂电机性能的影响，发现当每齿开两个辅助槽时，可通过优化槽参数来大幅削弱齿槽转矩和转矩波动，研究表明：当辅助槽宽度为定子槽开口宽度的0.835倍，深度为1mm时，输出转矩平均值仅减小3.35%，而转矩波动被大幅削弱了26.95%。　　为了进一步降低轮毂电机转矩波动、提升转矩密度，本文引入Halbach阵列来代替嵌入式永磁体结构，设计了具有Halbach阵列的永磁式轮毂电机，并建立了其解析模型，基于该方法讨论了设计参数对轮毂电机性能的影响，并得到优化结果，相比于原电机，转矩波动被大幅削弱了96.03%，并且输出转矩平均值提升了17.26%。另外，研究了铁磁材料磁导率对电机性能的影响，提出了考虑铁磁材料磁导率的Halbach阵列轮毂电机解析模型，定量考虑了磁饱和效应对电机性能的影响，可以研究非饱和、过渡饱和以及饱和等工况运行时轮毂电机的相关性能。研究表明：当相对磁导率小于7000时，输出转矩随相对磁导率变化较大，大于7000时，输出转矩几乎无变化。
作者：	张河山
专业：	车辆工程
导师：	邓兆祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文